序列式容器

• 所謂序列化容器，其中的元素都可序，但未必有序。C++語言本省提供了一個序列式容器array，STL另外提供了vector，list，deque，stack，queue，priority_queue等序列式容器。其中stack和queue由於只是將deque作為底層實現，技術上被歸類為一種配接器。

• 文章只是將一些細節知識點總結，底層原始碼不涉及。

vector

• vector的資料結構

  • 陣列。

• vector和array的區別

  • array是靜態空間，一旦配置了就不能改變；要存入大於空間個數的元素，需要客戶端自己實現。
  • vector是動態空間，隨著元素的加入，它的內部機制會自行擴充以容納新元素。
  • 兩者均為線性連續空間。

#include<iostream>
#include<vector>

int main(int argc, char* argv[]) {
    //*************array************
    int a[5] = { 0,1,2,3,4 };
    //換大空間
    int b[10] = { 0 };
    for (int i = 0; i < 5;++i) {
        b[i] = a[i];
    }
    b[5
 
] = 10;
    //***************vector****************
    vector<int> vec{1,2,3};
    cout << vec.size() << endl; //3,size表示元素個數
    cout << vec.capacity() << endl; //3，capacity表示佔用的空間，capacity>=size
    vec.push_back(4);
    vec.push_back(5);
    cout << vec.size() << endl; //5
 

    cout << vec.capacity() << endl;  //6，空間自行擴充
    getchar();
    return 0;
}

• vector空間滿載情況

  • 為了降低空間配置時的速度成本，vector實際配置的大小可能比客戶端需求量更大一些，以備將來可能的擴充。這便是容器的概念。也就是說，一個vector的容量永遠大於等於其大小，一旦等於，便需擴充。
  • vector空間滿載，將會進行“配置新空間/資料移動/釋還舊空間”，時間成本很高。因此，vector在配置新空間時，一般以舊空間的兩倍來擴充。注意，這裡擴充指的是容量capacity，size表示加入元素的個數。
  • 空間配置原則：如果原大小為0，則配置$capacity=1$；如果原大小不為0，則配置原大小的兩倍($capacity_新=2*capacity_舊$)。
    

• vector的迭代器

  • vector維護的是一個連續線性空間，普通指標即可滿足需求，提供隨機存取迭代器。
  • 因vector滿載需進行“配置新空間/資料移動/釋還舊空間”操作，因而vector的迭代器會失效。
    

• vector空間釋放

  • clear()函式：清除所有元素，但容量不改變。即$size=0,capacity!=0$。
    
  • 下面演示程式可知：當push_back和pop_back時size的大小（元素個數）改變，而capacity的大小隻有在分配新空間時改變，且$capacity_新=2*capacity_舊$，只增不減。（vector容量只增不減。）
  • 因vector容量只增不減，所以對於釋放vector佔有的記憶體有必要了解一下。
    
    • 方法一：與臨時變數swap。
    • 方法二：clear()+shink_to_fit()。先清除所有的元素，再將容量大小調整為元素大小即可。

#include<iostream>
#include<vector>

using namespace std;

int main(int argc, char* argv[]) {
    vector<int> vec{1,2,3,4};
    cout << vec.size() << endl; //4,size表示元素個數
    cout << vec.capacity() << endl; //4，capacity表示佔用的空間，capacity>=size
    vec.push_back(5);
    cout << vec.size() << endl; //5,size表示元素個數
    cout << vec.capacity() << endl; //8，空間自行擴充
    vec.push_back(6);
    vec.push_back(7);
    cout << vec.size() << endl; //7
    cout << vec.capacity() << endl;  //8
    vec.push_back(8);
    vec.push_back(9);
    cout << vec.size() << endl; //9
    cout << vec.capacity() << endl;  //16，空間自行擴充
    //************************方法一************************
    /*
    vector<int>().swap(vec);
    cout << vec.size() << endl; //0
    cout << vec.capacity() << endl;  //0
    */
    //************************方法二************************
    vec.clear();
    vec.shrink_to_fit();
    cout << vec.size() << endl; //0
    cout << vec.capacity() << endl;  //0
    getchar();
    return 0;
}

• vector優缺點

  • 優點：隨機存取。時間複雜度O(1)。
  • 缺點：插入和刪除的時間複雜度O(N)。需要對元素進行移動。

list

• list的資料結構

  • list是一個環狀雙向連結串列。所以它只需要一個指標，就可以完整的表現整個連結串列。
  • 只要刻意在環狀連結串列的尾端加上一個空白節點，便可滿足“前閉後開”區間。
    

• list的空間分配

  • list不像vector是連續儲存空間，需要預留空間來節省“配置新空間/資料移動/釋還舊空間”操作的成本。因而容量大小等於元素個數。
  • 每次配置一個節點大小，當元素刪除時，相應空間一併刪除。

• list的迭代器

  • list不能像vector一樣以普通指標作為迭代器，因為其節點不保證在儲存空間中連續存在。
  • list是一個環狀雙向連結串列，迭代器必須具備前移、後移的能力，所以list提供的是雙向迭代器。
  • 插入操作和接合操作都不會造成原有的list迭代器失效，只有在刪除元素時，“指向被刪除元素”的那個迭代器失效，其他迭代器不受影響。

• 注意

  • 插入操作：分配一個節點，“插入在…之前”。
    
  • 移除操作：刪除元素，並釋放空間。
    
  • 遷移操作
    
    • 將某連續範圍的元素遷移到特定位置之前。只進行節點間的指標移動即可。
    • list中的splice(接合操作)、merge(合併操作)、reverse(反轉操作)、sort(排序操作)均是以遷移操作為基礎。
    • 圖解
      

• list優缺點

  • 優點：無預留空間。插入和刪除在常數時間內完成。
  • 缺點：不能進行隨機存取。時間複雜度為O(N)。

deque

• vector和deque的區別

  • vector是單向開口的連續線性空間，deque是雙向開口的連續線性空間。
  • deque允許常數時間內對起頭端進行元素的插入或移除操作。vector需要將起頭端之後的元素進行整體的前移或後移操作，時間複雜度為O(N)，效率極差。
  • deque沒有所謂的容量概念，它是動態地以分段連續空間組合而成，隨時可以增加一段新的空間並連結起來（隨後會介紹）。

• deque的中控器

  • deque採用一塊所謂的map（不是map容器）作為主控。這裡所謂的map是一小塊連續空間，其中每個元素都是指標，指向另一段（較大的）連續線性空間，稱為緩衝區。緩衝區才是deque的儲存空間主體。
  • deque的連續空間其實是假象，是由一段一段的定量連續空間構成。
    

• deque的迭代器

  • deque的迭代器包含四個指標

    • cur：指向緩衝區中的現行元素
    • first：指向緩衝區的頭
    • last：指向緩衝區的尾
    • node：指向管控中心

  • 當map所指的緩衝區容量滿載時，需要對map進行擴充，擴充過程：配置更大的，拷貝原來的，釋放原來的。因此deque的迭代器會失效。

  • deque的中控器、緩衝區、迭代器的相互關係
    

• deque在尾端新增元素，引發新緩衝區的配置（條件：map中控器未滿載，不需要考慮map）。
  

• deque在最前端新增元素，引發新緩衝區的配置（條件：map中控器未滿載，不需要考慮map）。
  

• map滿載時，擴充map（配置更大的，拷貝原來的，釋放原來的）。

• deque優缺點

  • 可隨機存取。時間複雜度為O(1)。可在頭部和尾部進行插入操作，相對於vector的頭插操作效率較高。
  • 插入和刪除操作時間複雜度為O(N)（頭插和尾插時間複雜度為O(1)，頭刪和尾刪時間複雜度為O(1)）。若插入位置之前的元素個數較少，則將之前的元素前移，反之將之後的元素後移。刪除操作類似插入操作。